CN220012807U - 一种大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于微波系统装备技术领域，提供了一种大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，包括：三销钉阻抗调配器、矩形波导、模式转换装置、同轴传输装置和短路活塞，还包括：微波作用腔、环形天线金属盘和金刚石沉积台，所述环形天线金属盘与所述微波作用腔的顶部内壁之间安装有环形石英玻璃窗；通过将环形天线金属盘与金刚石沉积台相互分离，相比于传统的环形天线碟型反应腔中，金刚石沉积台贴于环形天线金属盘上的设计，本实用新型所提出的反应腔结构更加便于实现金刚石沉积台的升降与旋转，可增强金刚石合成的可控性和均匀性。

Description

一种大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔

技术领域

本实用新型涉及微波系统装备技术领域，具体涉及一种基于环形天线的大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔。

背景技术

金刚石具有一系列优异的物理及化学性质,比如极高硬度、高导热率、高载流子迀移率以及高光学通透性，低热膨胀系数、摩擦系数等。天然金刚石形成于陨石撞击或者地壳运动产生的高温高压。苛刻的形成条件导致金刚石产量稀少，社会的发展导致金刚石需求不断增加，这种稀缺性阻碍了金刚石材料的广泛应用。

直到十九世纪六十年代，美国通用公司采用了高温高压法，完成了人类历史上第一次真正人工合成金刚石。当时高温高压法合成的金刚石是小颗粒或者粉末状晶体，并且含有较多的杂质，无法满足很多实际应用的需要。其时，合成金刚石的另一种方法化学气相沉积法的研究并不比高温高压法发展的晚，只是生长的金刚石有大量的共生石墨，并且沉积的速率极低，不具有实际应用价值。后来，高浓度的氢原子对石墨相的抑制被发现，化学气相沉积法才成为一种实际可行的方法，并且这种方法原理上并不限制合成金刚石的尺寸。目前实现化学气相沉积合成金刚石的方法有很多，这些方法因为各自的原理不同，在不同的工业领域有各自独特的优势。其中热丝化学气相沉积法属于欧姆热激发，直流电弧化学气相沉积法(等离子体喷射)属于强电场激发。而电磁波激发反应气体的方法为微波等离子体化学气相沉积法。在这三种方法中，电磁微波激发的放电因为没有电极所以避免了等离子体中金属杂质的掺入，沉积金刚石的纯度高，因而被认为是最佳的人工合成金刚石方法之一。

目前市面上较成熟的微波等离子体化学气相沉积法反应腔主要有平板石英玻璃圆柱形反应腔(如图1)、石英玻璃罩圆柱形反应腔(如图2)、环形天线碟型反应腔(如图3)等。其中平板石英玻璃圆柱形反应腔与石英玻璃罩圆柱形反应腔的石英玻璃距离等离子体火球较近，易使等离子体火球对石英玻璃进行刻蚀，从而对沉积的金刚石产生污染。而目前市面上传统的环形天线碟型反应腔，其内部的环形天线金属盘将金刚石沉积台与环形的石英玻璃窗口分隔开来，从而避免了等离子体火球对石英玻璃的刻蚀而造成的污染，但由于金刚石沉积台位于环形天线的金属盘上方，故难以实现金刚石沉积台的升降与旋转，限制了对大尺寸、高质量金刚石的合成，此外，该型反应腔的金刚石沉积台上方空间较小，而高功率状态下等离子体火球的体积较大，造成等离子体火球与金属腔壁的距离过近，也容易对金刚石的合成产生污染。

本实用新型的目的是克服现有市面上各类微波等离子体化学气相沉积法反应腔技术的不足，提出一种新型的微波等离子体化学气相沉积法反应腔结构，采用环形天线结构，将用于真空密封的环形石英玻璃窗口与金刚石沉积台用大尺寸的环形天线金属盘进行分隔，从而避免了市面上传统的平板石英玻璃圆柱形反应腔、石英玻璃罩圆柱形反应腔等石英玻璃距离等离子体火球较近被刻蚀而产生的污染。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，通过环形天线金属盘与金刚石沉积台相互分离，进而解决背景技术提出的问题。

本实用新型具体的技术方案如下：

一种大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，包括：三销钉阻抗调配器、矩形波导、模式转换装置、同轴传输装置和短路活塞，还包括：

微波作用腔，所述微波作用腔设置于所述同轴传输装置的下方，所述同轴传输装置位于模式转换装置与微波作用腔之间，微波作用腔用于承载微波能量，合理设计微波作用腔的结构尺寸可使微波电场聚集于金刚石沉积台处，从而产生并维持等离子火球，并使其与微波系统实现较好的阻抗匹配，获得较高的微波效率；

环形天线金属盘，所述环形天线金属盘安装在所述微波作用腔的内部，所述环形天线金属盘与所述微波作用腔的顶部内壁之间安装有环形石英玻璃窗，环形石英玻璃窗用于真空密封并使微波能量透过；

金刚石沉积台，所述金刚石沉积台安装在所述微波作用腔的底部，金刚石沉积台用于盛放金刚石；环形天线金属盘用于固定石英玻璃窗，并将微波能量向下运送至金刚石沉积台。

上述三销钉阻抗调配器用于调节微波系统的阻抗匹配，减小反射，提高微波效率；同时矩形波导用于将微波源输出的微波能量传输至同轴传输装置；

模式转换装置用于将矩形波导的TE微波传输模式转换为同轴线TEM传输模式；同轴传输装置位于模式转换装置与微波作用腔之间，用于将微波能量从矩形波导传送至微波作用腔；短路活塞用于调节微波系统的阻抗匹配，减小反射，并调节微波作用腔内微波场分布，使产生的等离子火球更接近中心。

优选的，所述环形天线金属盘的底部中心位置开设有进气口，进气口用于通入反应气体。

优选的，所述微波作用腔的底部开设有出气口，且出气口分布在所述金刚石沉积台的两侧，出气口用于排出微波作用腔内气体。

优选的，所述环形天线金属盘的下部为锥形圆台状，其下部锥形圆台形状有利于微波电场向金刚石沉积台附近聚集。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型通过采用环形天线结构，将用于真空密封的环形石英玻璃窗口与金刚石沉积台用大尺寸的环形天线金属盘进行分隔，从而避免了市面上传统的平板石英玻璃圆柱形反应腔、石英玻璃罩圆柱形反应腔等石英玻璃距离等离子体火球较近被刻蚀而产生的污染，有利于提高金刚石合成的质量。

2、本实用新型通过将环形天线金属盘与金刚石沉积台相互分离，相比于传统的环形天线碟型反应腔中，金刚石沉积台贴于环形天线金属盘上的设计，本实用新型所提出的反应腔结构更加便于实现金刚石沉积台的升降与旋转，可增强金刚石合成的可控性和均匀性。

3、本实用新型通过将环形天线金属盘与金刚石沉积台相互分离，相比于传统的环形天线碟型反应腔中，金刚石沉积台贴于环形天线金属盘上的设计，本实用新型所提出的反应腔结构更加便于对金刚石沉积台冷却结构的设计，使金刚石沉积台的温度受控性好，有利于提高金刚石合成的质量。

4、本实用新型通过设计反应腔中金刚石沉积台附近空间相比于传统的环形天线碟型反应腔较大，为高功率状态下大体积等离子体火球留出了充足的空间，有利于减小金属腔壁被等离子体火球刻蚀而对金刚石合成产生的污染，有利于提高金刚石合成的质量。

附图说明

图1是本实用新型平板石英玻璃圆柱形反应腔平面示意图；

图2是本实用新型石英玻璃罩圆柱形反应腔平面示意图；

图3是本实用新型环形天线碟型反应腔平面示意图；

图4是本实用新型环形天线大容积反应腔平面示意图。

图中：

1、三销钉阻抗调配器；2、矩形波导；3、模式转换装置；4、同轴传输装置；5、短路活塞；6、环形石英玻璃窗；7、微波作用腔；8、环形天线金属盘；9、进气口；10、等离子火球；11、金刚石沉积台；12、出气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

如图1-图4所示，本实用新型提供一种大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，包括：三销钉阻抗调配器1、矩形波导2、模式转换装置3、同轴传输装置4和短路活塞5，还包括：

微波作用腔7，所述微波作用腔7设置于所述同轴传输装置4的下方，所述同轴传输装置4位于模式转换装置3与微波作用腔7之间，用于将微波能量从矩形波导2传送至微波作用腔7，微波作用腔7用于承载微波能量，合理设计微波作用腔的结构尺寸可使微波电场聚集于金刚石沉积台11处，从而产生并维持等离子火球10，并使其与微波系统实现较好的阻抗匹配，获得较高的微波效率；

环形天线金属盘8，所述环形天线金属盘8安装在所述微波作用腔7的内部，所述环形天线金属盘8与所述微波作用腔7的顶部内壁之间安装有环形石英玻璃窗6，环形石英玻璃窗6用于真空密封并使微波能量透过；

金刚石沉积台11，所述金刚石沉积台11安装在所述微波作用腔7的底部，金刚石沉积台用于盛放金刚石；环形天线金属盘8用于固定石英玻璃窗6，并将微波能量向下运送至金刚石沉积台11。

上述三销钉阻抗调配器1用于调节微波系统的阻抗匹配，减小反射，提高微波效率；同时矩形波导2用于将微波源输出的微波能量传输至同轴传输装置4；

模式转换装置3用于将矩形波导2的TE10微波传输模式转换为同轴线TEM传输模式；短路活塞5用于调节微波系统的阻抗匹配，减小反射，并调节微波作用腔内微波场分布，使产生的等离子火球10更接近中心；

所述环形天线金属盘8的底部中心位置开设有进气口9，进气口用于通入反应气体。

所述微波作用腔7的底部开设有出气口12，且出气口12分布在所述金刚石沉积台11的两侧，出气口12用于排出微波作用腔7内气体。

所述环形天线金属盘8的下部为锥形圆台状，其下部锥形圆台形状有利于微波电场向金刚石沉积台11附近聚集。

具体流程如下：如图4所示，本实施例中，首先通过进气口9将反应气体导入到环形天线金属盘8中，然后通过矩形波导2将微波源输出的微波能量传输至同轴传输装置4中，其中传输过程通过模式转换装置3将矩形波导2中的TE10微波传输模式转换为同轴线TEM传输模式，使得同轴传输装置4能够进行正常的传输；微波能量向下运输穿过石英玻璃窗6进入到环形天线金属盘8中，然后环形天线金属盘8继续将微波能量向下运送至金刚石沉积台11，其下部锥形圆台形状有利于微波电场向金刚石沉积台11附近聚集；采用环形天线结构，将用于真空密封的环形石英玻璃窗6与金刚石沉积台11用大尺寸的环形天线金属盘8进行分隔，从而避免了市面上传统的平板石英玻璃圆柱形反应腔、石英玻璃罩圆柱形反应腔等石英玻璃距离等离子体火球较近被刻蚀而产生的污染，有利于提高金刚石合成的质量；同时环形天线金属盘8与金刚石沉积台11相互分离，相比于传统的环形天线碟型反应腔中，金刚石沉积台11贴于环形天线金属盘8上的设计，本实用新型所提出的反应腔结构更加便于实现金刚石沉积台11的升降与旋转，可增强金刚石合成的可控性和均匀性；同时本实用新型反应腔结构更加便于对金刚石沉积台11冷却结构的设计，使金刚石沉积台11的温度受控性好，有利于提高金刚石合成的质量；

微波作用腔7用于承载微波能量，通过合理设计微波作用腔7的结构尺寸可使微波电场聚集于金刚石沉积台11处，从而因反应气体被微波电场电离而产生等离子火球10，并利用微波作用腔7的设计维持等离子火球10的存在，并通过三销钉阻抗调配器1调节微波系统的阻抗匹配，使其与微波系统实现较好的阻抗匹配，并减小反射，获得较高的微波效率；本实用新型反应腔中金刚石沉积台11附近空间相比于传统的环形天线碟型反应腔较大，为高功率状态下大体积等离子体火球留出了充足的空间，有利于减小金属腔壁被等离子火球10刻蚀而对金刚石合成产生的污染，有利于提高金刚石合成的质量.

在反应气体被微波能量电离过程中，可利用短路活塞5配合三销钉阻抗调配器1调节微波系统的阻抗匹配，减小反射，并调节微波作用腔7内微波场分布，使产生的等离子火球10更接近金刚石沉积台11的中心；反应完成后通过出气口12将微波作用腔7的反应气体排出。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。

Claims (4)

1.一种大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，包括：三销钉阻抗调配器(1)、矩形波导(2)、模式转换装置(3)、同轴传输装置(4)和短路活塞(5)，其特征在于，包括：

微波作用腔(7)，所述微波作用腔(7)设置于所述同轴传输装置(4)的下方，所述同轴传输装置(4)位于模式转换装置(3)与微波作用腔(7)之间；

环形天线金属盘(8)，所述环形天线金属盘(8)安装在所述微波作用腔(7)的内部，所述环形天线金属盘(8)与所述微波作用腔(7)的顶部内壁之间安装有环形石英玻璃窗(6)；

金刚石沉积台(11)，所述金刚石沉积台(11)安装在所述微波作用腔(7)的底部。

2.如权利要求1所述大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，其特征在于：所述环形天线金属盘(8)的底部中心位置开设有进气口(9)。

3.如权利要求1所述大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，其特征在于：所述微波作用腔(7)的底部开设有出气口(12)，且出气口(12)分布在所述金刚石沉积台(11)的两侧。

4.如权利要求1所述大容积微波等离子体化学气相沉积反应腔，其特征在于：所述环形天线金属盘(8)的下部为锥形圆台状。